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Théorie de la thermographie infrarouge

Le domaine du rayonnement infrarouge et les techniques de thermographie associées sont souvent méconnus du grand public. Nous abordons ici la théorie de la thermographie.

Le spectre électromagnétique

Le spectre électromagnétique est divisé arbitrairement en plusieurs zones de longueurs d'onde, appelées "bandes", identifiées par les méthodes utilisées pour produire et détecter le rayonnement. Il n'existe aucune différence fondamentale entre le rayonnement des différentes bandes du spectre électromagnétique. Elles sont toutes régies par les mêmes lois et la seule différence réside dans la longueur d'onde.

Spectre électromagnétique pour le thermographie

Spectre électromagnétique.

1 : rayons X

2 : UV

3 : Visible

4 : IR

5 : Micro-ondes

6 : Ondes radio.


La thermographie utilise la bande spectrale infrarouge. A l'extrémité gauche de la longueur d'onde courte, la limite correspond à celle de la perception visuelle, dans le rouge intense. A l'extrémité droite de la longueur d'onde longue, cette limite fusionne avec les longueurs d'onde radio à micro-ondes, dans la plage des millimètres.

La bande infrarouge est elle-même divisée en quatre petites bandes, également délimitées de façon arbitraire. Elle inclut :le proche infrarouge (0,75 - 3 μm), l'infrarouge central (3 - 6 μm), l'infrarouge lointain (6 - 15 μm) et l'infrarouge extrême (15 - 100 μm). Bien que les longueurs d'onde soient indiquées en μm (micromètres), d'autres unités sont souvent utilisées pour mesurer la longueur d'onde dans cette zone spectrale, par exemple le nanomètre (nm) et l'Ângström (Â).

Rayonnement d’un corps noir

Un corps noir désigne un objet qui absorbe le rayonnement qu'il reçoit, quelle que soit la longueur d'onde et l'angle d'incidence. L'appellation noir associée à un objet qui émet un rayonnement est expliqué par la loi de Kirchhoff (de Gustav Robert Kirch-hoff, 1824-1887), selon laquelle un corps capable d'absorber le rayonnement à n'importe quelle longueur d'onde est également capable d'émettre un rayonnement de la même façon.

Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)

Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)


La conception d'une source de corps noir est en principe très simple. Les caractéristiques du rayonnement d'un trou dans une cavité isotherme constituée d'un matériau absorbant opaque représentent presque exactement les propriétés d'un corps noir. Une application pratique du principe de construction d'un absorbeur parfait de rayonnement est une boîte étanche à la lumière qui comporte une petite ouverture sur l'un des côtés. Le rayonnement qui passe par cette ouverture est alors diffusé et absorbé par des réflexions répétées .Par conséquent, seule une fraction infinitésimale peut éventuellement s'échapper. La « noirceur» obtenue à l'ouverture est presque identique à celle d'un corps noir et quasiment parfaite pour toutes les longueurs d'onde.

En chauffant cette boîte isotherme de manière adéquate, celle-ci devient alors une cavité rayonnante. Une cavité isotherme chauffée avec une température uniforme génère un rayonnement de corps noir, dont les caractéristiques sont déterminées uniquement par sa température. Ce type de cavité rayonnante est couramment utilisé comme source de rayonnement de référence dans les laboratoires d'étalonnage des instruments de thermographie, tels que les caméras FLIR Systems.

Si la température du rayonnement d'un corps noir dépasse 525 °C (977 °F), la source commence à être visible de telle sorte qu'elle n'apparait plus noire à l'œil. Il s'agit de la couleur rouge correspondant à la chaleur initiale du radiateur, qui devient ensuite orange ou jaune au fur et à mesure que la température augmente. En fait, la définition de la température de couleur d'un objet est la température à laquelle un corps noir devrait être chauffé pour avoir la même apparence dans le spectre visible.

Considérons maintenant trois expressions qui décrivent le rayonnement émis par un corps noir.

Loi de Planck

Max Planck (1858-1947) a déterminé la distribution spectrale du rayonnement d'un corps noir à l'aide de la formule suivante:

Max Planck (1858-1947)
La formule de Max Planck

Max Planck (1858-1947)

où :

  

WÀb

Existence énergétique spectrale du corps noir à la longueur d'onde À.

c

Vitesse de la lumière = 3 X 108 m/s

h

Constante de Planck = 6,6 X 10-34 Joule s.

k

Constante de Boltzmann = 1,4 X 10-23 Joule/K.

T

Température absolue (K) d'un corps noir.

À

Longueur d'onde (μm).

 

Le facteur 10-6 est utilisé car l'exitance spectrale dans les courbes est exprimée en Watt/m2m. Si le facteur est exclu, la dimension est exprimée en Watt/m2μm.

La formule de Planck, lorsqu'elle est représentée sous forme graphique pour différentes températures, génère une famille de courbes. Suivant une courbe de Planck particulière, l'exitance spectrale est égale à zéro à À = 0, puis elle atteint rapidement un maximum à une longueur d'onde Àmax et après l'avoir dépassée, elle s'approche à nouveau de zéro sur les longueurs d'onde très longues. Plus la température est élevée, plus la longueur d'onde où le maximum sera atteint est courte.

Graphique de la loi de Planck

Exitance énergétique spectrale du corps noir selon la loi de Planck,représentée pour différentes températures absolues.

1 : Exitance énergétique spectrale (W/cm2 X 103(μm))

2 : Longueur d'onde (μm)

Loi de déplacement de Wien

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